超临界二氧化碳循环分析资料报告1

超临界二氧化碳动力循环与氦动力循环的比较

目前，世界上正在建设和研究的高温气冷堆都是使用He作为工质，这是因为He具有很好的稳定性、化学相容性及热传导性。但是，He作为工质存在一些不足，例如动力循环需要较高的温度、难于压缩等，给反应堆和换热部件的结构材料、叶轮机械的设计带来很多困难。出于降低反应堆结构材料要求、减少技术难度、提高反应堆的安全性与经济性等各方面的考虑，有学者进行了选取CO2作为循环工质的研究。CO2虽然在稳定性、热传导性方面比He稍差，但CO2具有合适的临界参数，不需要很高的循环温度就可以达到满意的效率，且具有压缩性好、储量丰富等优点。采用CO2作为循环工质可以降低循环温度和压缩功，从而提高反应堆的安全性，同时降低反应堆造价。超临界CO2的闭式布雷顿循环被推荐在铅冷快堆及钠冷快堆中使用。

1. 二氧化碳布雷顿循环分析

（1）二氧化碳布雷顿循环

CO2与He在动力循环中最大的不同点就是气体性质随压力、温度的变化差别很大（表1-1）。高压（7.5 MPa）环境中，CO2的导热系数λ、定压比热容cp和压缩因子z均与低压（0.1 MPa）下的参数有很大差异；在循环工况下，He循环可以视为理想气体循环，除密度外，其余参数变化不大。动力循环的工况，CO2的工作参数在其临界点（7.377 MPa，31℃）附近；因此，CO2动力循环除与He循环有相同的决定因素外，还取决于动力循环的不同实际工况，即超临界压力、跨临界压力及亚临界压力3种循环工况（图1-1）。超临界循环：循环压力及温度均在临界参数以上；跨临界循环：循环高压侧压力高于临界压力，低压侧压力低于临界压力；亚临界压力循环：循环压力均低于临界压力，工作于气相区。

表1-1 CO2和He热物性比较（35℃）

工质 CO2

P/MPa 7.5

ρ/kg·m-3 277.6

λ/W·(m·K)-1 0.03532

CP/kJ·(kg·K)-1

5.9306

z 0.463

0.1

He

7.5 0.1

1.95 11.32 0.156

0.01497 0.1604 0.1571

0.828 5.198 5.198

0.879 1.033 0.999

（2）CO2简单循环与He循环的对比分析

以英国改进型气冷堆（AGR）为例。英国改进型气冷堆（AGR）实际运行时 CO2温度高于670℃。考虑到 CO2高温下与不锈钢材料化学不相容，因此循环最高温度保守取为650℃，若要采用更高的循环温度，需要采用其他金属材料。 CO2和 He 动力循环在给定条件下计算的最优参数见表1- 2，温熵图见图 1-1。其中 He 循环的温熵图略有不同，采用 2 个压缩机分级压缩。

图1-1 CO2循环及He循环温熵图 表1-2 CO2简单循环与He循环比较

参数名 超临界 Pmin=7.5MPa CO2 跨临界 Pmin=5.267 亚临界压力 Pmax=7.0Pa 工况1 tmin=35℃ He 工况2 tmin=35℃

初参数 tmin=35℃ tmax=650℃ tmin=15℃ tmax=650℃ Pmax≤20MPa ε>（Pcri /Pmin） t1c,out ≤ tcri tmin=35℃ tmax=650℃ — tmax=650℃ tmax=800℃ 限制条件 Pmax≤20MPa Pmax=7.0Pa 3.1 40.85 1.8 42.53 Pmax=7.0Pa 1.95 48.6 压力比ε 循环效率η/% q/kJ·kg-1 2.667 40.1 3.8 40.49 258.78 405.26 203.28 10006.74 1302.31 从表 1-2 可看出，CO2循环计算所需初参数比He 循环多出压力项。如前文所述，He 在循环工况下取决于温度，只需给定循环的温度围便可计算出不同压力比（ε）下循环效率（η），而 CO2的 cp还取决于压力。给定超临界和跨临界压力CO2循环的最高压力（Pmax）是由于现有技术条件的限制，保守取为20 MPa。表 2 中的所列的最高 η 是 Pmax达到限定值的效率，并未达到实际计算的最大η。He 循环的 Pmax为现有模块化高温气冷堆 He 循环最高压力（7MPa）。 图 1-2 分别给出了表 2 中所列初参数下η与ε关系。在所计算ε下，亚临界压力 CO2循环与 He循环相似，η随ε先增大到一个极大值点再缓慢下降。而超临界和跨临界循环，同样受到 Pmax的限制，在计算ε下并未达到极大值。3 种 CO2循环在相应限制条件下达到的最高η与温度条件几乎相同情形下的 He 循环相近。但是，这 3 种循环均低于 He 在 tmax＝800℃下的η，且相同温度条件下，CO2循环达到最高η的ε要大于 He 循环达到最高η的ε。